【原】用Java編寫第一個區塊鏈（一）

　　寫這篇隨筆主要是嘗試幫助自己了解如何學習區塊鏈技術開發。

　【本文禁止任何形式的全文粘貼式轉載，本文來自 zacky31 的隨筆】

目標：

• 創建一個最基本的“區塊鏈”
• 實現一個簡單的挖礦系統

前提：

　　對面向對象編程有一定的基礎

注意：

　　值得注意的是，這不會是一個完整的功能，恰恰相反，這是一個概念證明的實例，可以幫助您進一步了解區塊鏈。

准備：

　　我將會使用Java來實現，當然你也可以使用任何面向對象的語言。

環境：

• JDK 8
• IDEA
• Maven

開始吧

　　區塊鏈就好比多個塊連接起來。其中每一塊都將擁有自己的簽名，簽名中包含其前面的塊信息和一些數據（例如交易信息）。

　　每個塊不僅僅包含它之前的塊信息，同時也包含自身。如果前面一塊內容改變了，其 hash 值也會改變，將會導致其后面所有的塊發生變化。通過計算和比較所得的 hash 值，我們可以判斷區塊鏈是否合法。換句話說，改變區塊鏈中的任意內容，將會改變整個區塊鏈的簽名。

　　根據上面的分析，我們先創建一個 Block 類。

import java.util.Date;

public class Block {
    public String hash; //存放數字簽名
    public String preHash; //前面塊的簽名
    private String data;
    private long timeStamp;

    public Block(String data, String preHash) {
        this.data = data;
        this.preHash = preHash;
        this.timeStamp = new Date().getTime();
    }
}

　　接下來，我們需要一個生成簽名的方法。有很多加密算法可供選擇，這里使用 SHA256 剛剛好。

import java.security.MessageDigest;

public class StringUtil {
    public static String applySha256(String input) {
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");

            byte[] hash = digest.digest(input.getBytes("UTF-8"));
            StringBuilder hexString = new StringBuilder();
            for (int i = 0; i < hash.length; i++) {
                String hex = Integer.toHexString(0xff & hash[i]);
                if (hex.length() == 1) hexString.append('0');
                hexString.append(hex);
            }
            return hexString.toString();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

　　現在，我們向 Block 類中添加計算數字簽名的方法，並修改一下其構造方法。

public Block(String data, String preHash) {
        this.data = data;
        this.preHash = preHash;
        this.timeStamp = new Date().getTime();
        this.hash = calculateHash();
    }

    public String calculateHash() {
        String calculatedhash = StringUtil.applySha256(preHash + Long.toString(timeStamp) + data);
        return calculatedhash;
    }

　　到這里，可以寫個 Main 方法看一下效果。

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Block first = new Block("Hi i am the first block", "0");
        System.out.println("Hash for block 1 : " + first.hash);
        Block second = new Block("Hi i am the second block", first.hash);
        System.out.println("Hash for block 2 : " + second.hash);
        Block third = new Block("Hi i am the third block", second.hash);
        System.out.println("Hash for block 3 : " + third.hash);
    }
}

　　可以看見每個 Block 都有自己唯一的 數字簽名，當然，現在還沒有構成一個區塊鏈，將這些塊存放到一個 ArrayList 中吧。修改 Main 類后再次運行。

import com.google.gson.GsonBuilder;

import java.util.ArrayList;

public class Main {

    public static ArrayList<Block> blockchain = new ArrayList<Block>();

    public static void main(String[] args) {
        blockchain.add(new Block("Hi i am the first block", "0"));
        blockchain.add(new Block("Hi i am the second block", blockchain.get(blockchain.size() - 1).hash));
        blockchain.add(new Block("Hi i am the third block", blockchain.get(blockchain.size() - 1).hash));

        String blockchainJson = new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create().toJson(blockchain);
        System.out.println(blockchainJson);
    }
}

　　現在，需要一種方法去驗證創建的區塊鏈。編寫一段 isChainValid() 方法。任何塊的改變將會導致這個方法失效。

public static Boolean isChainValid() {
        Block currentBlock;
        Block previousBlock;

        for (int i = 1; i < blockchain.size(); i++) {
            currentBlock = blockchain.get(i);
            previousBlock = blockchain.get(i - 1);

            if (!currentBlock.hash.equals(currentBlock.calculateHash())) {
                System.out.println("Current Hashes not equal!");
                return false;
            }

            if (!previousBlock.hash.equals(currentBlock.preHash)) {
                System.out.println("Previous Hashes not equal!");
                return false
            }
        }
        return true;
    }

　　接下來，嘗試一下挖礦！

　　

　　在 Block 類中，新增一個變量 nonce，並且添加到 calculateHash() 這個方法中，同時需要 mineBlock() 這個方法。這個方法中的 difficulty 變量就是用來控制計算量的。當設置的值較低時，大部分計算機很快就能算出來。

import java.util.Date; public class Block { public String hash; public String preHash; private String data; private long timeStamp; private int nonce; public Block(String data, String preHash) { this.data = data; this.preHash = preHash; this.timeStamp = new Date().getTime(); this.hash = calculateHash(); } public String calculateHash() { String calculatedhash = StringUtil.applySha256(preHash + Long.toString(timeStamp) + Integer.toString(nonce) + data); return calculatedhash; } public void mineBlock(int difficulty) { String target = new String(new char[difficulty]).replace('\0', '0'); while (!hash.substring(0, difficulty).equals(target)) { nonce++; hash = calculateHash(); } System.out.println("Block Mined!!!" + hash); } }

　　我們可以在 Main 類中定義個靜態變量。嘗試在每次創建新塊去調用 mineBlock() 方法。

import com.google.gson.GsonBuilder;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Date;

public class Main {

    public static ArrayList<Block> blockchain = new ArrayList<Block>();
    public static int difficulty = 5;

    public static void main(String[] args) {
        long beginTime1 = new Date().getTime();
        blockchain.add(new Block("Hi i am the first block", "0"));
        System.out.println("Trying to  mine block 1...");
        blockchain.get(0).mineBlock(difficulty);
        long endTime1 = new Date().getTime();
        System.out.println("Mining block 1 cost " + (endTime1 - beginTime1));


        long beginTime2 = new Date().getTime();
        blockchain.add(new Block("Hi i am the second block", blockchain.get(blockchain.size() - 1).hash));
        System.out.println("Trying to  mine block 2...");
        blockchain.get(1).mineBlock(difficulty);
        long endTime2 = new Date().getTime();
        System.out.println("Mining block 1 cost " + (endTime2 - beginTime2));

        long beginTime3 = new Date().getTime();
        blockchain.add(new Block("Hi i am the third block", blockchain.get(blockchain.size() - 1).hash));
        System.out.println("Trying to  mine block 3...");
        blockchain.get(2).mineBlock(difficulty);
        long endTime3 = new Date().getTime();
        System.out.println("Mining block 1 cost " + (endTime3 - beginTime3));

        System.out.println("\nBlockchain is Valid: " + isChainValid());

        String blockchainJson = new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create().toJson(blockchain);
        System.out.println(blockchainJson);
    }

    public static Boolean isChainValid() {
        Block currentBlock;
        Block previousBlock;
        String hashTarget = new String(new char[difficulty]).replace('\0', '0');

        for (int i = 1; i < blockchain.size(); i++) {
            currentBlock = blockchain.get(i);
            previousBlock = blockchain.get(i - 1);

            if (!currentBlock.hash.equals(currentBlock.calculateHash())) {
                System.out.println("Current Hashes not equal!");
                return false;
            }

            if (!previousBlock.hash.equals(currentBlock.preHash)) {
                System.out.println("Previous Hashes not equal!");
                return false;
            }

            if (!currentBlock.hash.substring(0, difficulty).equals(hashTarget)) {
                System.out.println("This block hasn't been mined");
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
}

　　運行發現，挖礦過程還是很費時間的。把計算量改成7，差不多每挖一個需要一分鍾。。。

　　如果在此過程中，有人篡改了數據，將會導致：

• 區塊鏈將會無效
• 不能夠創建一個更長的區塊鏈
• 網絡中的誠實鏈將會比較長的區塊鏈有時間上的優勢

　　不過如果篡改數據擁有更強的運算速度，可能成功篡改。

　　這樣，基本上簡單實現了一個區塊鏈了。